1.广东省测绘产品质量监督检验中心 广州市 510075;
2.武汉大学测绘与遥感国家重点实验室 武汉市 430000
摘要:北斗卫星导航系统(BDS)在亚太地区已经能够提供导航、定位和授时服务(PNT),并逐步从区域卫星导航系统发展为全球卫星导航系统。由于GLONASS RTK的双差函数模型与BDS、GPS RTK双差函数模型不统一。本文研究了BDS/GPS/GLONASS组合RTK的站间单差模型,统一BDS/GPS/GLONASS组合RTK的函数模型。初步分析了BDS/GPS/GLONASS组合单频RTK的定位性能,对整周模糊度采用LAMBDA方法,单历元搜索策略。通过实测短基线数据分析表明:相比于单系统及双系统组合的单频RTK,三系统组合单频RTK能够有效地提高定位精度及模糊固定率,而且更加适合城市峡谷等环境中。
关键词:北斗卫星导航系统;BDS/GPS/GLONASS组合RTK;站间单差模型;LAMBDA方法;模糊度固定率
1引言
北斗卫星导航系统(BDS)于2012年底已提供区域卫星导航定位服务,计划于2020年完成全部星座的布设,并提供全球卫星导航定位服务[1]。北斗卫星导航系统是继美国GPS,俄罗斯GLONASS系统之后第三个建成的全球卫星导航系统。相比于单一卫星导航系统,多系统组合将显著增加可视卫星数目、改善卫星空间几何结构,从而提高导航定位的可用性、连续性和精度,尤其适合城市峡谷等环境中。多系统组合导航定位将是必然的发展趋势[2]。
目前,很多文献对两个系统的双频RTK算法模型进行了研究,如:GPS/GLONASS、GPS/Galieo、GPS/BDS组合系统。但三系统组合的双频RTK研究尚处于起步阶段。
周跳探测及修复对RTK的定位精度影响非常大,如果错误的修复周跳,将会严重影响RTK定位精度。对于单频接收机而言,其观测数据很容易发生周跳,且周跳比较多,难以探测及修复,即使修复,修复错误的风险很大。而本文采用单历元模糊度解算,可以有效地避免复杂地周跳探测与修复,还可以降低运算量。
由于GLONASS系统采用FDAM调制信号,不同与BDS和GPS系统(CDAM),所以GLONASS双差函数模型不同与BDS和GPS双差函数模型。本文研究了RTK的站间单差数学模型,统一BDS/GPS/GLONASS组合RTK的函数模型,对整周模糊度采用LAMBDA方法,单历元搜索策略。利用GPS/GLONASS/BDS三系统八频中海达接收机在广州实测短基线数据,初步分析了BDS/GPS/GLONASS组合单频RTK的定位性能,包括卫星的可见性、PDOP值、模糊度固定率及定位精度。
2 数学模型
2.1 观测方程
2.2 BDS/GPS/GLONASS的RTK定位函数模型
对于短基线,站间单差可以消除大气延迟误差及卫星相关的误差(卫星轨道误差,卫星钟差,卫星端硬件延迟误差)。在基准站与移动站之间进行站间做差,即方程(1),(2)分别在站间做差(1表示基准站,2表示移动站)。BDS/GPS/GLONASS相位及伪距站间单差线性观测方程可以表示:
BDS/GPS/GLONASS组合系统的单差模型可以统一表示为:
2.3 模糊度固定率
整周模糊度解算是否正确直接影响RTK定位的精度。而模糊度固定的性能可以通过模糊度固定率来体现,即模糊度固定率可以表示为:
3 算例分析
本文的实验数据采用GPS/GLONASS/BDS三系统兼容接收机,在广州番禺区实测了一组长度为8km短基线。通过七种方案:(I)BDS,(II)GPS,(III)GLONASS,(IV)BDS/GPS,(V)BDS/GLONASS,(VI)GPS/GLONASS,(VII)BDS/GPS/GLONASS,对比分析了BDS/GPS/GLONASS组合单频RTK的定位性能。七种方案都采用高度角定权法。首先分析了不同截止高度角的可见卫星数与PDOP值。其次,分析了在不同截止高度角的BDS/GPS/GLONASS组合单频RTK的模糊度固定成功率及定位精度。
通过图1、2、3可以看出,随着截止高度角的增加,可见卫星数逐渐减少,组合系统的可见卫星数能够满足单频RTK定位,而单系统的可见卫星数难以满足截止高度角较高的定位。当截止高度角30º时,通过图2可以看出,方案III(GLONASS)只有45.5%的历元可以实现单频RTK定位,截止高度角增加到45º时,通过图3方案III已经不可以实现单频RTK定位,方案II(GPS)也只有68.2%历元可以实现单频RTK定位。同时可以发现,不高是截止高度角的高或低,组合系统的PDOP值优于单系统。但是随着截止高度角增加,由于可见卫星数都会降低,不管是组合系统还是单系统,导致PDOP值也增大。当截止高度角为45º时,PDOP值显著增大,但是六种方案(除方案III)的单频RTK的定位精度优于截止高度角为15º时。
图1 在截止高度角15º时,七种方案的可见卫星数及PDOP值
图2 在截止高度角30º时,七种方案的可见卫星数及PDOP值
图3 在截止高度角45º时,七种方案的可见卫星数及PDOP值
表1 截止高度角15º时,七种方案在E、N、U方向的STD、RMS值及模糊度固定率( )
图4 七种方案在E、N、U方向的定位误差(截止高度角15º)
通过图4可以看出,在截止高度角为15º,七种方案均可以实现定位,定位精度都均在厘米级别。可以通过表1,可以看出,七种方案的模糊度固定率(除方案III)都在90%以上,双系统组合RTK方案的模糊度固定率优于单一系统,三系统组合RTK的模糊度固定率优于双系统组合。但是三系统组合RTK定位精度与B+G(IV)RTK定位精度相当。优于其他双系统组合RTK和单系统RTK定位精度。
表2 截止高度角30º时,七种方案在E、N、U方向的STD、RMS值及模糊度固定率( )
图5 七种方案在E、N、U方向的定位误差(截止高度角30º)
通过图5可以看出,在截止高度角为30º,可以发现方案III(GLONASS),只有45.4%的历元可以实现RTK定位,而其他方案均可以实现RTK(100%)。七种方案的定位精度均在厘米级别。通过表2与表1对比发现,当截止高度角为30º时,不管是单系统单频RTK还是双、三系统组合单频RTK的可以提高模糊度的固定率,但是对短基线的RTK定位精度改善不明显。双系统组合单频RTK模糊度固定率不是很明显优于单系统单频RTK(单GPS系统的模糊度固定率优于双系统),但是三系统组合单频RTK的模糊度固定率明显优于双系统组合单频RTK及单系统单频RTK。三系统组合对于单频RTK模糊度固定率有一定的改善。
随着截止高度角增加,剔除一些高度角较低的卫星,单频RTK的定位精度稍微有点提高。同时可以看出不管截止高度角高或低,三系统组合单频RTK定位的模糊度固定率优于双系统组合单频RTK及单系统单频RTK。
4 结束语
本文研究了BDS/GPS/GLONASS组合RTK的站间单差模型,统一了BDS/GPS/GLONASS组合RTK的函数模型。通过实测短基线数据分析了BDS/GPS/GLONASS组合单频RTK的定位性能,得出以下结论:(1)不管截止高度角的高或低,三系统组合的可见卫星数及PDOP值明显优于双系统组合及单系统;(2)相比于单系统及双系统组合的单频RTK,三系统组合单频RTK能够有效地提高定位精度及模糊固定率;(3)三系统组合单频RTK非常适合城市峡谷等环境中。
参考文献:
[1]宁津生,姚宜斌,张小红.全球导航卫星系统发展综述[J].导航定位学报,2013,1(1):P3-8.(Ning J,Yao Y(2013)The development review of GNSS[J].J Navig Position 1:3-8)
[2]Man X,Sun f(2015)Analysis of positioning performance on combined BDS/GPS/GLONASS[C].China Satellite Navigation Conference(CSNC)
基金项目:国家自然科学基金资助(41374027)
论文作者:张永林1,,任晓乾2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/17
标签:组合论文; 系统论文; 高度论文; 模糊论文; 方案论文; 精度论文; 七种论文; 《基层建设》2018年第23期论文;